【Linux】匿名管道+进程池

news2024/10/7 4:23:17

文章目录

前置知识
一、管道的原理
二、管道的特性
三、管道的接口
四、使用管道实现简单的进程池
- 解决进程池的一个小问题

前置知识

一个进程在创建时，会默认打开三个文件，分别是：stdin，stdout，stderr
进程中有一个维护进程所打开的文件的文件描述对象结构体struct files_struct该文件描述对象结构体中包含一个fd_array，文件描述符表，这个文件描述符表存储的是对应打开的文件的文件描述对象的地址。也就是说，每一个文件都有对应的文件对象，来记录该文件的各种属性struct file。而进程对应的是文件描述对象，两者不同。
在这里插入图片描述
fd_array中存储的就是struct file*类型。

默认打开的三个文件中，stdin,stdout,stderr对应的分别是键盘文件，显示器文件，显示器文件，占用了fd_array文件描述符表中的0，1，2下标。

所以，进程再次创建文件时，会默认从3号下标开始记录。

一、管道的原理

在这里插入图片描述

父进程创建管道文件时，默认打开读端和写端，读端的文件fd存在3号下标中，写端文件存在4号下标中。
子进程被创建时会继承父进程的管理文件的对象，所以子进程的fd_array的3号和4号下标也记录了管道文件的读写端。

为了保证父子进程之间的通信，假设是父进程进行读取，子进程进行写入。
所以需要关闭父进程的写端，关闭子进程的读端。

在这里插入图片描述
子进程进行写入，父进程进行读取，就能实现通信了。

问题：为什么父进程不直接把要发送给子进程的数据保存一份，子进程在创建时就会继承这份数据了。

这种通信方式不是不可以，但只能静态通信。

实际上，在创建管道文件时，会创建两个文件对象，它们存储同一个inode，指向同一块缓冲区，这样就能实现子进程通过写端的struct file和父进程的读端的struct file进而看到同一个文件缓冲区，也就是让不同的进程看到同一份资源。

所以管道通信只能进行单向通信！！！

在这里插入图片描述

二、管道的特性

Linux中，管道的大小一般是4096字节（4KB）

管道的本质就是内存级文件。

1.进程之间使用管道通信，必须具有血缘关系。常用于父子关系。
2.管道通信只能进行单向通信。
3.管道是基于文件的，而文件是随进程的，所以管道的生命周期随进程。
4.这个管道文件，没有路径，没有名字，更没有inode，因为使用该管道文件，是由操作系统创建并管理的，而父子进程之间通过该管道进行通信的原因是继承，所以该管道就叫做匿名管道。
5.父子进程是会进行进程协同，同步与互斥的。我的理解是：父子进程要向管道文件中读写内容，就要调用write和read系统调用，而该函数会进行阻塞地等待或读取。
- 由此可知，管道的读写中有4种情况：
- 1.读写端正常，如果管道为空，读端就要阻塞。
- 2.读写端正常，如果管道被写满了，写端就要阻塞。
- 3.读端正常读，写端关闭，读端就会读到0，表明读到了文件结尾，不会被阻塞。
- 4.写端正常写，读端关闭，写端不会再写了，没有意义了，因为没人读。

操作系统所做的这一切，本质就是让不同的进程看到同一份资源。

三、管道的接口

在这里插入图片描述
该系统接口的参数是一个数组，数组有两个元素，记录的就是打开的管道文件的读端和写端在fd_array中的位置。

所以我们只需要传一个数组过去即可。

如果成功返回0，失败返回-1，且错误码被设置。

所以该参数叫做输出型参数

因为会把用户传进来的参数进行设置修改，所以用户可以再次使用该参数。

使用方法:

#define SIZE 2
int pipefd[SIZE] = {0};
int n = pipe(pipefd);

这是父进程申请管道文件，父进程需要读取，所以关闭写端

clode(pipefd[1]);

附带的一个函数：
在这里插入图片描述
printf函数我们熟悉，向显示器中打印格式化内容。
snprintf函数是printf函数的变形，本应该向显示器文件中打印的内容，变成向str指针指向的文件中打印size大小的格式化内容。

snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%s-%d-%d",s.c_str(),self,cnt);

匿名管道的测试代码

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <cerrno>

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

#define SIZE 2
#define NUM 1024
using namespace std;

// 1.先创建管道文件
// 2.创建子进程
// 3.子进程进行写入，父进程进行读取

//向指定文件描述符对应文件写入
void Write(int wfd)
{
    string s = "Hello , i am child";
    char buffer[NUM];
    //getline(cin,buffer);
    pid_t self = getpid();
    int cnt = 5;
    while(cnt--)
    {
        buffer[0] = 0; // 告诉读者我的buffer当作字符串来用
        snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%s-%d-%d",s.c_str(),self,cnt);  
        cout << buffer << endl;
        write(wfd,buffer,strlen(buffer));
        sleep(1);
    }

}

void Read(int rfd)
{
    char buffer[NUM];
    while(true)
    {
        buffer[0] = 0;
        ssize_t n = read(rfd,buffer,sizeof(buffer));//n是读取到的个数
        if(n > 0) 
        {
            buffer[n] = '\0';
            cout << "father-" << getpid() <<  "get a message from child:[" << buffer << "]#" << endl;
        }
        else if(n == 0)
        {
            cout << "father read file done!" << endl;
            break;
        }
        else break;
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    int pipefd[SIZE] = {0};
    int n = pipe(pipefd);
    //成功返回0，失败返回-1
    if (n < 0) // 管道创建失败
    {
        perror("pipefd fail");
        return 1;
    }
    // 管道创建成功
    cout << "pipefd[0] : " << pipefd[0] <<  " pipefd[1] : " << pipefd[1] << endl; 
    //创建子进程
    pid_t id = fork();
    
    if (id < 0)
    {
        perror("fork fail");
        return 2;
    }

    // child ： write
    else if (id == 0)
    {
        //关闭读端
        close(pipefd[0]);

        //写入
        Write(pipefd[1]);

        //写入完成关闭写端
        close(pipefd[1]);
        exit(1);
    }
    // father ： read
    close(pipefd[1]);

    Read(pipefd[0]);

    int status = 0;
    pid_t rid = waitpid(id,&status,0); // 阻塞等待
    if(rid < 0)
        return 3;
    else if(rid > 0)
        cout << "wait child process success!" << endl;
    close(pipefd[0]);

    return 0;
}